Foxdisk05-启动原理2

观察Foxdisk3的makefile,可以看到使用的是bcc -ms的编译开关。这是要求编译器采用Samll内存模式进行编译,其特点是栈和数据都在64K以内,Code在另外一个64K内。为什么采用Small方式?主要是我当时设计的时候,没有考虑到后面的各种新的需求,以为代码可以控制在64K内完成;另外,这种模式比较便于汇编和C的混合编写,不用去考虑复杂的数据段、代码段的定位。

在整个代码编写过程中,除了引导部分(也即Loader.asm),其他的代码尽量用C编写。但是有两部分的代码仍旧无法避免使用汇编,一是时钟中断,为了让几个任务并行工作,使用了汇编;二是32位数的乘除计算。我们在平常使用C/C++及其他高级语言的时候,大数的计算很平常。那是因为编译器已经提供了库函数调用,方便程序员使用,操作系统已经提供了这样的机制进行支持。Foxdisk某种程度上相当于简单的操作系统,这些机制完全没有提供。因此,在进行大数计算时,只能自己来写这些函数了。

回到我们的启动话题。Loader.asm包含了所有启动的秘密,其承载了将Foxdisk的演出场景安排好的任务,相当于整个程序的导演,也是整个程序最难读的地方。我试着以自己的语言,将其原理解释清楚。

Loader.asm在编译后,将链接成一段512字节的二进制码。当然,它不是单独存在的,是与其他代码混杂着存在于Foxdisk.exe中。这段512字节码将由Setup.c中的main()函数拷贝到MBR区,起到引导的作用。

Bios在释放控制权的时候,将把MBR区的代码加载到0x7C00处,并跳转执行。也即从Loader.asm中的load_start处开始执行。

整个Loader.asm实现的功能可以概括为三个:1) 将存储在硬盘上的Foxdisk代码拷贝到指定的内存;2)将Foxdisk运行的数据拷贝到另外一段64K的内存中;3) 设定栈,并远程跳转(retf)至Foxdisk的BootEntry处,开始运行Foxdisk。Loader.asm中的几个变量,nCodeSect:Foxdisk代码段占用的硬盘扇区数;nDataSect:Foxdisk数据段占用的扇区数;iBegin: Foxdisk程序镜像所存储的硬盘起始位置;这些变量均由Setup.c中的函数进行初始化,也即安装的时候确定。另外一个变量iDisk,其值为0x80或者0x81,表示BIOS所认的第一个硬盘还是第二个硬盘,也是由Setup.c中函数对其进行初始化的。如果Foxdisk镜像存储在第二个硬盘上,则必须设置为0x81。现在想来,其作用不大,而且容易给调试带来麻烦。

load_start到load_chs,尝试使用扩展中断0x13(ah=0x40以上的int 0x13)访问磁盘中的数据,加载Foxdisk的代码段至0x7000:0起始的64K内存,数据段加载至0x8000:0开始的64K内存。

如果磁盘不支持磁盘的扩展中断(这种情况基本不可能),则回到原始的硬盘访问中断,尝试将Foxdisk的代码段和数据段加载到指定的内存中。从load_chs到load_ok间做的就是这件事,其功能与上一段其实是相同的,大部分情况下也不会执行。

从标志load_ok开始,进行设置栈以及跳转的工作。Retf是条远跳转指令,它将栈中的4个字节当成CS:IP,跳转过去执行。以上工作均在实模式下进行,不用考虑复杂的权限问题。注意,在retf执行前,bx中已经包含了BootEntry的地址,执行前的push bx就是将地址压栈,准备远程跳转。

至此,我们可以暂时抛去晦涩难懂的汇编,进入了C的世界。

下一篇博客是启动原理的最后一篇,介绍Foxdisk的整体逻辑框架,从逻辑层面介绍我是如何编排实现Foxdisk的功能。

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随笔-放慢心态1

按照现在的工作状态,实在无法保证之前的技术博客按计划进行。在罪恶感的驱使下,我拿了自己无聊时写的随笔,用来充数。看看一个仍旧奋战在一线的程序员,如何在万恶的房价经济社会中,如何苦苦挣扎。

连续两周出差,身体严重透支。正好有一个小时的时间,在等一位朋友过来。用来整理技术文章是不够,正好把这一小段时间的感想记录下来。

人生过了三十岁,时间的齿轮好像突然加快,仿佛总是处在一个“时间不够”的状态。要学习新的东西、要照顾家庭、各种朋友应酬…忙来忙去,最后都忘记了自己为了什么在忙碌。

龙应台有本书《孩子你慢慢来》,我曾经在出差途中看完。有段话,这么写的,对比得很有意境:“淡水的街头,阳光斜照着窄巷里这间零乱的花铺。 回教徒和犹太人在彼此屠杀,衣索匹亚的老弱妇孺在一个接一个地饿死,纽约华尔街的证券市场挤满了表情紧张的人——我,坐在斜阳浅照的石阶上,愿意等上一辈子的时间,让这个孩子从从容容地把那个蝴蝶结扎好,用他五岁的手指。”

我很喜欢这段话。生活从来就不美好,世界残酷而真实,美好只存在于我们的内心,那些你所珍惜的事物,导引了我们生活的方向。

大学的第一年,元旦第一天,我一个人坐在三工教学楼的某个教室里面,努力准备马上要考试的科目。第一场雪就在那个时候下起来了,我看着窗外,就这么呆呆的看着雪坐了一个上午。

那时的自己,仿佛青春永远都会在,未来的日子总感觉非常遥远。除了不时会冒出来的考试,踢球、泡图书馆、看漫画,无聊时可以花两个礼拜画一张图,从容天真。

离开学校后,画风变了。如果每个人的生活都是一场电影,那么,在离开学校的这十几年,每一帧都充满了急躁,对未来的恐惧。 继续阅读“随笔-放慢心态1”

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Foxdisk04-启动原理1

我不记得是哪个小品了,赵本山用他的标准铁岭普通话说:“我不想知道它怎么来的,我只想知道它是怎么没的。”

对编程而言,“怎么来的”实际上非常重要,不能不了解。Foxdisk的启动过程,在“如何安装1”中已经有了说明,本篇会尽量的把相关的背景知识介绍清楚。

有几个关键词:BBS、Legacy BIOS、UEFI、MBR。

BBS

英特尔、Phoenix和康柏公司在1996年联合发布了BIOS引导规约(BIOS Boot Specification),简称BBS(图2)。尽管十几年已经过去了,但是这个规约中的大多数内容至今仍被使用着。本文中使用的很多术语和数据结构都来自这个规约。

Foxdisk04-BBS spec

 图1 BIOS Boot Spec

BBS将引导设备划分为以下三种类型: 继续阅读“Foxdisk04-启动原理1”

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Foxdisk03-如何安装2

整个Foxdisk3.01的代码,是将安装程序和主程序混在一起编译的。安装程序负责将代码拷贝到指定的硬盘区域,包括MBR代码、Foxdisk的启动代码、Foxdisk的资源、Foxdisk的code段和数据段。在“如何安装1”中叙述的foxdisk在硬盘中的映像,都是由它来实现的。

混编的好处是,安装程序能够很容易的定位主程序各种段(code、data、stack等等)的位置,方便安装。另外,很多函数可以共用。坏处是,安装程序也要占据不少的空间。我之前为了方便C和汇编混合,设定了编译模式为small,也即Code段必须在64K内,Stack和Data段加起来在64K之内。我在设计初期没有考虑好,代码写到后半段就感到很痛苦—许多想实现的功能因为代码的限制,没法去实现。

现在的编译器早就取消了这样的限制,以技术而言,BorlandC++3.1已经是石器时代的产品。以我现在常用的Vs2015,从来不用去考虑类似这样的问题,可以专注在程序本身的实现。计算机软件的发展非常快,一不小心我也变成了老古董了。

回到正题。与安装相关的文件有Setup.c、Setup.h、iSetup.c和iSetup.h,与主程序共用了磁盘访问、图像显示等函数。外设的访问,在后面专门写几个章节进行介绍,用汇编去访问外设,我估计现在除了开发驱动或者OS的程序员,很少会有人去关注它们了。

从Setup.c的main()函数开始跟踪,了解安装过程。

main函数做了两件事情: 卸载和软件安装。卸载的过程故意设计得复杂,通过判断命令行以及热键,确定用户需要完全卸载,然后再将相应的扇区覆盖。这几天我重读代码,觉得这里的设计很有问题,有可能导致卸载后无法进入操作系统了。

软件安装通过两个函数实现,firstSetup()和updateSetup()。前一个函数是首次安装,后一个是针对已经安装的软件进行参数更改或者代码升级。main()最后的汇编代码:

asm mov ax,3

asm int 0x10

其作用为回到文本模式。程序是在DOS环境下,并使用图形模式安装的,如果没有回到文本模式,DOS的命令行无法执行。

通篇代码中,有大量嵌入汇编的地方。这种写法不是很好,程序可读性比较差,我主要是习惯了汇编来实现一些小功能,不自觉的就用上了。后续出现内嵌汇编的地方,都会给出解释。

firSetup()中,将安装主程序的步骤分为了四个,代码中给出了很详细的说明,很容易读懂。此函数中所调用的图形函数和磁盘访问函数,其功能都比较单一,通过函数说明可以了解其作用。

我尽量不去调用C的库函数,以防止代码量的增加。因此,很多经典的函数,比如memset、memcpy等,只能重新自己实现。另外一个原因,Foxdisk的主程序中,是没有操作系统的,那些库函数也没法运行。我参考的代码来自于linux2.6,不愧是千锤百炼的代码,非常精简高效。

firSetup()中频繁使用的汇编代码:

asm xor ax,ax

asm int 0x16

这段代码的功能是等待按键,类似于C语言中的getchar()或者pause()。

updateSetup()的实现代码在iSetup.c中,其实现方式类似于firSetup(),就不一一解释了。

这两个函数都打开了时钟中断,实现一些需要定时的功能。篇幅所限,不再详细说明,在后续章节中针对时钟中断做一个详细说明。

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Foxdisk02-如何安装1

Foxdisk是基于BIOS中断或者直接访问硬件的,在设计的时候,第一个需要考虑的问题就是软件如何运行。这个问题很有趣,也是我在早期开发一个小的OS时试图搞清楚的最初的问题。

作为介于BIOS和操作系统间的一个小程序,我考虑了两种让Foxdisk运行的方法。其一是依靠硬件,将Foxdisk的引导代码放在PCI ROM或者以Option ROM的形式直接嵌入到BIOS中;另外一种是类似GRUB的方式,修改硬盘的MBR,实现Foxdisk的引导。我们首先从PC的启动过程谈起。

1)     PC启动的过程

Foxdisk02-PC_boot

图1 计算机启动过程

这是我理解的计算机的启动过程,显示了计算机从开机到进入操作系统的工作顺序。在上述的几个阶段,都可以抢得控制权,实现我们自己的代码。分别为:

阶段①:Call Rom,此阶段Option ROM可以抢得计算机的控制权。

阶段②:int19h,Option ROM软件可通过修改int 19h抢得控制权。另外,所有通过模拟可引导设备的Option ROM以使得BIOS能够引导其软件的方法均归于此阶段。

阶段③:LoadMBR,通过直接修改硬盘上的MBR区域抢得控制权。

阶段④:Load OS,在操作系统引导的时候抢得控制权。

阶段⑤:在操作系统层面安装软件。

阶段①~④均称为底层阶段,软件一般直接与计算机硬件打交道,或者通过BIOS中断访问硬件。阶段⑤称为上层阶段,软件借助于操作系统提供的各种API工作。

关于Option ROM的介绍,可以参考文档《BIOS Boot Specification》version 1.01。这是发布于1996年的文档,由intel、Phoenix和Compaq联合制定的规范。多年来,BIOS的启动过程也没有太大的变化,直到UEFI的出现。

具体的内容我不在博客中介绍,文档中介绍得很清楚。只要记住两点即可:第一,BIOS允许外设有自己的代码,用来实现一些特殊的功能,比如网卡的Option ROM、PCI设备的Option ROM;第二,只要依据一定的规范来写代码,BIOS会将控制权转移给Option ROM,这时整个计算机的控制权都在手中,理论上做什么都可以。

继续阅读“Foxdisk02-如何安装1”

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Foxdisk01-缘起

Foxdisk01-bootpic

“没有任何一个题目是彻底完成了的。总还会有些是哪个可做;在经过充分的研究和洞察以后,我们可以将任何解题方法加以改进;而且无论如何,我们总可以深化我们对答案的理解。”

–《怎样解题:数学思维的新方法》

用一段话来总结我自己的这个小项目,我以为上面的这段话很精准。从2006年1.00版开始,到2008年的冬天完成3.01版,直到现在,我也不觉得这个项目完成了。只是因为各种原因,没有动力再去更新它了,曾经写在计划中的4.0版,列出了许多我很有兴趣的功能,不大可能再去实现了。

继续阅读“Foxdisk01-缘起”

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Foxdisk00-源代码编译

为了便于之后博文的行文方便,我把代码放在了下载区:[download id=”9″]。

编译器使用的是Borland C++3.1,C编译器和汇编编译器都在其中。代码中包含三个汇编文件:Loaser.asm、iMath.asm、iTimeInt.asm,必须用Tasm编译。微软的masm语法要求稍微有些不同,因此foxdisk3.01的代码没有办法直接用微软早期的DOS下编译器编译。

编译步骤很简单:

1)      安装BorlandC++3.1;

2)      进入代码文件主目录,设置Path目录;(参考我的bcccmd.bat)

3)      etrhz.exe hztable.h Global.c Setup.c iSetup.c;

4)      ehz24.exe /k hzk24k.h _HZ24STR.c;

5)      运行make;

上述步骤执行后,会自动生成foxdisk.exe。在dos下安装的时候,需要调用资源文件ifox.bmp,包含在\Rleease文件夹中。

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为自己定一个小目标

我的童年有很长的时间是在外婆家度过的,那个时候,外婆的爸爸妈妈还健在—我们的方言里称呼为“老外公、老外婆”。老外婆家离外婆家大概只有3公里左右,路两旁全是一拢拢农田和纵横交错的沟渠。进村子前,有几片不大的树林点缀在村子入口,松树、茶树、香樟树,还有一些我叫不出名字的树。春夏之交的时候,栀子花开了,空气中就飘着淡淡的栀子花甜香。

老外公和老外婆已经去世多年,我已经很难记得他们的样子;去拜见他们的场景记忆也慢慢开始模糊,唯有那飘在道路旁边的栀子花香味,始终不散。把这些回忆记录下来,是我很喜欢的事情。从小养成了的这种记录习惯,我的电脑里面有各种心情记录、管理记录,以及技术开发记录。这是比较私密的个人信息,作为技术宅男,我不是很喜欢把它们发布到QQ空间以外的地方。

改变这种想法从一位很好的朋友开始。

15年7月,参加了一次集体翻译的活动,第一次见到张佩。实际上对他慕名已久,公司产品开发中有时候需要驱动开发的知识,他的大作《竹林蹊径》是案边常用参考书。

张佩说话声音洪亮、语速很快、思考很快、写代码也很快,学习新技术奇快无比,我非常佩服。我是性格比较内向的人,不知道为什么,和他却一见如故,很快就像多年的好友一样无话不谈了。

那时我准备将我的foxdisk移植到uefi上,实现自己想要的一些功能。张佩很有兴趣,我就把自己的foxdisk 3.0的代码和文档给了他,请他指正。之后我有几次上海出差,每次都会抽一些时间去见他,他建议我把平常的一些技术学习的历程用博客写下来。 继续阅读“为自己定一个小目标”

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